Для работы шагового двигателя характерным является регулирование частоты вращения в широком диапазоне путем изменения частоты подачи управляющих импульсов тока. Таким же способом осуществляют его фиксированный останов, пуск и изменение направления вращения. В зависимости от частоты управляющих импульсов различают следующие режимы работы шаговых двигателей: статический, квазистационарный, установившийся и переходные.
Рис. 2.44. Рабочие характеристики шагового двигателя (а, б)
Статический режим – это режим прохождения по обмоткам возбуждения постоянного тока, создающего неподвижное поле. При питании одной фазы зависимость электромагнитного момента M от угла рассогласования θ близка к синусоидальной (рис. 2.44, а). Поскольку при θ = 0 синхронизирующий момент равен нулю, возникает статическая ошибка в положении ротора; она тем больше, чем больше нагрузка и меньше максимальный момент. В двигателях с гребенчатыми выступами на статоре и шагом, равным 1,5°, статическая ошибка составляет не более 0,5°.
Квазистационарный режим – это режим отработки единичных шагов, например в приводах различных старт-стопных, лентопротяжных и других подобных механизмов. Предельная частота квазистационарного режима ограничена временем затухания колебаний ротора, которые могут возникнуть при переходе ротора из одного устойчивого положения в другое (точки 0 и 0' на рис. 2.44, а), аналогично тому, как это происходит в обычной синхронной машине при резком изменении угла θ. Для устранения колебаний ротора в конце шага применяют различные демпфирующие устройства и обгонные муфты. Предельную частоту квазистационарного режима повышают, увеличивая число фаз обмотки якоря или число тактов коммутации (восьмитактная коммутация при четырехфазной обмотке, шеститактная – при трехфазной). Во всех этих случаях при отработке шага уменьшается угол перемещения и кинетическая энергия ротора, что снижает его склонность к колебаниям.
Установившийся режим – это режим, соответствующий постоянной частоте управляющих импульсов. Ротор двигателя в установившемся режиме имеет постоянную частоту вращения, но при переходе из одного устойчивого состояния в другое возникают периодические и апериодические колебания относительно мгновенной точки устойчивого равновесия. При частоте управляющих импульсов f1, меньшей частоты свободных колебаний двигателя f0, угловое перемещение ротора при каждом шаге, как и в квазистационарном режиме, сопровождается свободными колебаниями, которые существенно увеличивают динамическую ошибку при отработке ротором заданного перемещения. Частота свободных колебаний ротора
, (2.41)
где Мmax – максимальный электромагнитный момент при неподвижном роторе; Jр и Jн – моменты инерции ротора и нагрузки, приведенной к валу ротора.
Электромагнитный момент шагового двигателя в общем случае состоит из двух частей: синхронизирующего момента, зависящего от угла θ между осями МДС обмотки якоря и ротора, и асинхронного тормозного момента, пропорционального частоте вращения, т.е. dθ/dt:
. (2.42)
Параметр D называют коэффициентом внутреннего демпфирования. Физически внутреннее демпфирование, т.е. тормозной момент Μт в двигателях с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения на роторе, возникает в результате взаимодействия вращающегося потока ротора с током в обмотке якоря. У реактивных двигателей этот момент зависит от разности индуктивных сопротивлений (Xd – Xq) обмотки якоря и ее активного сопротивления Ra. При достаточно большом значении коэффициента D происходит эффективное затухание колебаний ротора двигателя. Этому способствует также наличие трения и внешних демпфирующих устройств.
Переходные режимы – основные эксплуатационные режимы шаговых двигателей, включающие в себя пуск, торможение, реверс, переход с одной частоты на другую. Основное требование, предъявляемое к шаговым двигателям в переходных режимах, – сохранение синхронизма при изменении частоты управляющих импульсов, т. е. отсутствие потери шага.
Для каждого шагового двигателя существует некоторая предельная частота подачи управляющих импульсов fпр, при которой ротор еще следует за скачкообразно изменяющимся полем статора. Эту частоту называют частотой приемистости. Частота приемистости характеризует пусковые свойства шагового двигателя – максимальную частоту управляющих импульсов, при которой возможен пуск без выпадения из синхронизма. Она возрастает с увеличением синхронизирующего момента, уменьшением углового шага, нагрузки и момента инерции.
Для современных шаговых двигателей при номинальной нагрузке частота приемистости fпр = 100...1000 Гц. Предельная частота, при которой осуществляется торможение шагового двигателя без потери шага (с сохранением синхронизма), как правило, выше частоты приемистости: это объясняется влиянием внутреннего демпфирования, момента нагрузки и момента трения. Предельная частота реверса, при которой реализуется реверс без выпадения из синхронизма (без потери шага), составляет (0,2...0,5)fпр. Только в двигателях с большим демпфированием и электромагнитными постоянными времени обмоток якоря предельные частоты реверса и приемистости примерно равны.
РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Они определяются параметрами двигателя, нагрузки (нагрузочный момент и момент инерции) и особенностями электронного коммутатора (числом тактов коммутации, формой его выходного напряжения и пр.). Основные характеристики следующие: статическая, предельная механическая и предельная динамическая приемистости.
Статическая характеристика – зависимость электромагнитного момента M от угла θ (рис. 9.19, а), а также зависимость тока двигателя от нагрузки в квазистационарном режиме.
Предельная механическая характеристика – зависимость частоты управляющих импульсов от максимального момента на валу ротора, при котором происходит выпадение двигателя из синхронизма (рис. 9.19, б, кривая 1). Ее снимают при плавном увеличении частоты f1.
Предельная динамическая характеристика приемистости – зависимость частоты приемистости fпр в динамическом режиме (например, при пуске) от момента нагрузки M (рис. 2.44, б, кривая 2). Рабочие характеристики снимают при различных сочетаниях включаемых обмоток, моментах инерции двигателя и нагрузки и пр.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШАГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
При высоких частотах вращения (2000...3000 об/мин) применяют шаговые двигатели с постоянными магнитами на роторе. Наличие активного ротора позволяет получить относительно большие моменты и обеспечить фиксацию ротора при обесточенных обмотках. У этих двигателей номинальный вращающий момент Мном = 0,1...10 H∙см, угловой шаг αш = 15°. При низких частотах вращения (до 1000 об/мин) и малом шаге применяют индукторные и реактивные двигатели с гребенчатыми выступами на полюсах статора. Их номинальный момент Мном = 1...25 H∙см, а угловой шаг α
studfiles.net
Шаговый двигатель это бесколлекторный синхронный двигатель, ротор которого совершает дискретные перемещения (шаги) определенной величины с фиксацией положения ротора в конце каждого шага.
Т.е. перемещение ротора происходит шагами известной величины. Подсчитав шаги можно определить, на сколько изменилось положение ротора, вычислить его абсолютную позицию.
Объединяя в себе двигатель и позиционирующее устройство без обратной связи, шаговый двигатель является идеальным приводом в промышленном оборудовании, станках с ЧПУ, робототехнике…
Представьте себе двухполюсный постоянный магнит на валу двигателя – это ротор, окруженный замкнутым магнитопроводом с четырьмя обмотками — статор. Вернее это две обмотки AB и CD с половинками, расположенными на противоположных полюсах статора.
Подключили к источнику напряжения обмотку AB (полярность + -) как показано на рисунке. Ток в этой обмотке вызовет появление магнитного поля статора с полюсами сверху N, снизу S.
Как известно разноименные полюса магнитов притягиваются.
В результате ротор (постоянный магнит) займет положение, в котором оси магнитных полей ротора и работающих полюсов статора совпадают. Механическое положение будет устойчивым. При попытке сдвинуть ротор, возникнет сила, возвращающая его назад.
Теперь снимем напряжение с обмотки AB и подадим на обмотку CD (полярностью + -). Ток в обмотке CD вызовет магнитное поле с горизонтальными полюсами, слева S, справа N. Магнитное поле делает все, чтобы магнитный поток замкнулся по минимальному пути. Ротор повернется в положение указанное на рисунке. Механическое положение ротора опять устойчивое. Это был первый шаг двигателя. В нашем случае он равен одной четвертой оборота
Отключаем обмотку CD и подаем напряжение опять на обмотку AB, но уже в другой полярности (- +). Опять магнитное поле статора повернется на 90°, а за ним и ротор.
Еще одна коммутация AB — отключаем, CD — подключаем (полярность — +) и ротор совершает еще один шаг на одну четвертую окружности.
Следующая коммутация (с которой мы начали) вернет ротор в исходное положение. Мы сделали полный поворот за 4 шага.
Если продолжить переключение фаз, ротор будет вращаться с частотой, пропорциональной частоте переключения фазных обмоток.
Если коммутировать фазы в противоположной последовательности – крутиться в обратном направлении, прекратить коммутацию — остановится.
Это был биполярный шаговый двигатель.
Биполярный двигатель имеет по одной обмотке для каждой фазы. На предыдущих рисунках это обмотки AB и CD. Для изменения магнитного поля должна обеспечиваться сложная коммутация обмоток. Каждая обмотка:
Для такой коммутации требуется сложный мостовой драйвер. Примером такого устройства является микросхема. Микросхема обеспечивает ток коммутации до 2 А. Если нужны большие токи, то задача управления биполярным двигателем еще усложняется.
Существует другой способ изменения магнитного поля в статоре с гораздо более простой схемой коммутации. Это применение двигателя с униполярными обмотками.
Схема двух фазного шагового двигателя с униполярными обмотками и последовательность коммутаций обмоток выглядит так.
У всех четырех обмоток один вывод подключен к плюсовому выводу источника питания. А другие выводы A,B,C,D последовательно коммутируются к минусовому сигналу. Соответствующие обмотки создают магнитное поле, и ротор поворачивается вслед за ним.
Для коммутации обмоток таким способом достаточно четырех ключей, замыкающих обмотки на землю. Ключи часто управляются непосредственно с выводов микроконтроллеров.
Иногда средние выводы обмоток конструктивно объединены внутри двигателя, иногда выводятся все выводы отдельно. Кстати, это не повод называть двигатель четырехфазным. Все равно он будет двухфазным.
Биполярный двигатель обеспечивает, при тех же размерах, больший крутящий момент, по сравнению с униполярным. Оно и понятно. Одновременно в униполярном двигателе работает только одна обмотка, вместо двух. Выигрыш в моменте у биполярного составляет около 40%.
Зато, если нет необходимости использовать двигатель на полную мощность, униполярным двигателем гораздо проще управлять.
Основные виды шаговых двигателей:
У двигателей с переменным магнитным сопротивлением в роторе нет постоянных магнитов. Их ротор выполнен из магнитомягкого материала и имеет зубчатую форму. Магнитный поток замыкается через ближайшие к полюсам статора зубцы. Зубцы притягиваются к полюсам. Этим и обеспечивается вращение.
При тех же размерах, двигатели с переменным магнитным сопротивлением имеют меньший крутящий момент, чем другие типы шаговых двигателей.
Применяются они довольно редко. Я знаю только одну фирму, которая использовала такие двигатели. Я разрабатывал управление для них. Выбор двигателей именно с переменным магнитным сопротивлением был обусловлен тем, что фирма сама изготавливала все детали двигателя. А сделать ротор для привода такого вида намного проще, потому что в нем не используются постоянные магниты.
У шаговых двигателей этого вида ротор содержит постоянные магниты. Общий принцип действия шагового двигателя я объяснял на двигателе с постоянным магнитом. Только в реальных двигателях магнитов больше. Вот пример двигателя с тремя парами полюсов ротора.
У реальных двигателей с постоянными магнитами число шагов на оборот доходит до 48, что соответствует углу шага 7,5 °.
Гибридные двигатели обеспечивают меньшую величину шага, больший момент и скорость. Число шагов на оборот для такого типа двигателей доходит до 400 (угол шага 0,9°).
При этом они более сложные в изготовлении и более дорогие. Я не хочу забивать читателю голову конструкцией этих двигателей. У них есть и зубчатый ротор, и постоянные магниты. По принципу действия гибридные двигатели эквивалентны двигателям с постоянными магнитами, но с гораздо большим числом полюсов.
Это самый распространенный тип шаговых двигателей.
Существуют три режима управления шаговым двигателем:
Первый способ был описан в примерах выше. Это попеременная коммутация фаз, фазы не перекрываются, в каждый момент времени к источнику напряжения подключена только одна фаза. Способ называется на английском one phase on full step – одна фаза на полный шаг. Точки равновесия ротора совпадают с полюсами статора.
Недостатком этого режима является то, что в один и тот же момент используется половина обмоток для биполярного двигателя, и только четверть для униполярного.
Есть вариант полношагового режима управления при котором в одно и то же время включены две фазы. Называется two-phase-on full step – две фазы на полный шаг. При таком способе ротор фиксируется между полюсами статора за счет подачи питания на все обмотки..
Это позволяет увеличить крутящий момент двигателя на 40%. Угол шага не меняется, просто ротор в состоянии равновесия смещен на пол шага.
Этот способ позволяет от двигателя получить в два раза больше шагов на оборот ротора. Каждый второй шаг включается одна фаза, а между ними — включаются сразу две.
В результате такой коммутации угловое перемещение шага уменьшается в два раза, или в два раза увеличивается число шагов. Полный момент получить в полушаговом режиме не удается. Не смотря на это, полушаговый режим используется часто. Уж очень простыми методами он удваивает число шагов двигателя.
Надо помнить, что для обоих режимов справедливо то, что при остановке двигателя со снятием напряжения со всех фаз, ротор двигателя находится в свободном состоянии и может смещаться от механических воздействий. Чтобы зафиксировать положение ротора, необходимо формировать в обмотках двигателя ток удержания. Этот ток может быть значительно меньше номинального.
Способность шагового двигателя фиксировать свое положение при остановке позволяет обходиться без механических фиксаторов, тормозных систем и т.п.
Для получения еще большего числа шагов двигателя применяют микрошаговый режим. Включают две фазы, как на полушаговом режиме, но токи обмоток распределяют не равномерно. Магнитное поле статора смещается между полюсов, смещается и положение ротора. Как правило, диспропорция токов между рабочими фазами происходит с определенной дискретностью, микрошагом. Бывают микрошаги с величиной треть от полного шага. Бывают значительно больше. Я разрабатывал систему управления индукторным приводом, так там было больше 1000 микрошагов.
Микрошаговый режим способен значительно повысить точность позиционирования шагового двигателя. Хотя система управления приводом становится намного сложнее.
Как и всему на свете шаговому двигателю присущи определенные достоинства и недостатки. Но есть области в точной механике, в которых он просто незаменим. Там где надо перемещать механические узлы, мгновенно останавливать, двигать назад, регулировать скорость… Попробуйте мгновенно остановить коллекторный двигатель, и вы забудете о недостатках шагового. Попробуйте реализовать изменение скорости коллекторного двигателя в широких пределах. Проще поставить шаговый с его недостатками.
Шаговый двигатель с точки зрения механики и электротехники очень сложное устройство, имеющее много механических и электрических параметров. Приведу расшифровку основных технических параметров, которые используются на практике.
elekt.tech
Специфика конструкции ШД и многообразие режимов их работы вызывают необходимость оценивать эти двигатели по следующим параметрам: частоте собственных круговых колебаний; электромагнитным постоянным времени; коэффициенту внутреннего демпфирования и характеристикам – предельным механическим и предельным динамическим.
Частота собственных круговых колебаний – это угловая частота колебаний ротора около устойчивого положения при отсутствии момента нагрузки
Она является обобщенным параметром, зависящим от момента инерции J, амплитуды максимального синхронизирующего момента Mmax, числа пар полюсов p.
Период собственных круговых колебаний, равный 1/w0, может служить внутренним эталоном времени. Действительно, момент инерции Jопределяет инерционность двигателя и механизма, амплитуда максимального синхронизирующего момента Mmax дает характеристику ШД как преобразователю энергии, число пар полюсов p определяет степень электромеханической редукции угла поворота и скорости вращения. Отношение Mmax/J дает теоретически предельное ускорение ротора шагового двигателя.
.
Электромагнитная постоянная времени обмоток управления Tэм = L/R характеризует скорость протекания электромагнитных переходных процессов. Часто для уменьшения Тэм последовательно с обмоткой управления включают добавочное сопротивление. Уменьшать постоянную времени необходимо потому, что чем она больше, тем до меньшего значения нарастает ток за время импульса напряжения, меньше становится синхронизирующий момент, а, следовательно, и допустимый момент сопротивления.
Коэффициент внутреннего демпфирования определяется отношением амплитуды потокосцепления ротора с фазой обмотки статора к ее активному сопротивлению. Этот параметр относится только к ШД с активным ротором, поскольку его физический смысл заключается в образовании электромагнитного
тормозного момента, вызванного взаимодействием поля ротора с током статора, наведенным этим полем и замыкающимся по цепи статор–источник тока. При этом механическая энергия колеблющегося ротора превращается в электрическую энергию с последующим рассеиванием ее в теплоту в активных сопротивлениях обмоток статора.
Предельная механическая характеристика – это зависимость допустимого момента сопротивления от частоты управляющих импульсов в установившемся режиме работы (рис. 3.7). С ростом частоты сказывается запаздывание в нарастании тока, обусловленное индуктивностью обмоток. При некоторой предельной частоте момент двигателя становится равным нулю.
Рис. 3.7. Механическая характеристика ШД
Предельная динамическая характеристика – зависимость частоты приемистости от момента сопротивления и момента инерции нагрузки. Такие характеристики называются предельными динамическими характеристиками пуска. Существуют также предельные динамические характеристики реверса и торможения.
0
studfiles.net
Шаговые двигатели
Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования.Производители шаговых двигателей: Autonics, Motionking, Fulling motor и другие.Шаговые двигатели: принцип действия и отличия от двигателей постоянного токаДвигатели постоянного тока (ДПТ) с постоянными магнитами Lenze начинают работать сразу, как только к якорной обмотке будет приложено постоянное напряжение. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором — коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре.Шаговый двигатель (ШД) может быть рассмотрен как ДПТ без коллекторного узла. Обмотки ШД являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор — контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.Принято различать шаговые двигатели (Autonics, Motionking, Fulling motor) и серводвигатели (Lenze). Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в шаговом (дискретном) режиме работы шагового двигателя (n шагов на один оборот ротора) и плавности вращения синхронного двигателя. Серводвигатели требуют наличия в системе управления датчика обратной связи по скорости и/или положению, в качестве которого обычно используется резольвер или sin/cos энкодер. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении. В то время как синхронные сервомоторы обычно используются в скоростных высокодинамичных системах.Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис. 1).
Биполярные шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели сконструированы более просто, чем униполярные двигатели, обмотки в них не имеют центрального отвода (см. рис. 2).
За это упрощение приходится платить более сложным реверсированием полярности каждой пары полюсов мотора.Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ-модуляции.Если в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки в любой момент времени, то ротор будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая схема, которая должна выполнять функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. «Вращающееся» магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.Каждая серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам современных электронных применений.Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке.На рисунке 3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.
На рисунке 4 показана последовательность для полушагового управления.
Максимальная скорость движения определяется исходя из физических возможностей шагового двигателя. При этом скорость регулируется путем изменения размера шага. Более крупные шаги соответствуют большей скорости движения.В системах управления электроприводами для отработки заданного угла или перемещения используют датчики обратной связи по углу или положению выходного вала исполнительного двигателя.Если в качестве исполнительного двигателя использовать синхронный шаговый двигатель, то можно обойтись без датчика обратной связи (Дт) и упростить систему управления двигателем (СУ), так как отпадает необходимость использования в ней цифро%аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей.Шаговыми двигателями называются синхронные двигатели, преобразующие команду, заданную в виде импульсов, в фиксированный угол поворота двигателя или в фиксированное положение подвижной части двигателя без датчиков обратной связи.Мощность шаговых двигателей лежит в диапазоне от единиц ватт до одного киловатта. Шаговый двигатель имеет не менее двух положений устойчивого равновесия ротора в пределах одного оборота. Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или двуполярных прямоугольных импульсов, поступающих от электронного коммутатора (К). Результирующий угол соответствует числу переключений коммутатора, а частота вращения двигателя соответствует частоте переключений электронного коммутатора.Шаговые двигатели различаются по конструктивным группам: активного типа (с постоянными магнитами), реактивного типа и индукторные.
Шаговые синхронные двигатели активного типаВ отличие от синхронных машин непрерывного вращения шаговые двигатели имеют на статоре явно выраженные полюса, на которых расположены катушки обмоток управления.Принцип действия шагового двигателя активного типа рассмотрим на примере двухфазного двигателя.Различают два вида коммутации обмотки шагового двигателя: симметричная и несимметричная.При симметричной системе коммутации на всех четырех тактах возбуждается одинаковое число обмоток управления.
При несимметричной системе коммутации четным и нечетным тактам соответствует различное число возбужденных обмоток управления.
Ротор у шагового двигателя активного типа представляет собой постоянный магнит, при числе пар полюсов больше 1, выполненный в виде «звездочки».
Число тактов KT системы управления называют количеством состояний коммутатора на периоде его работы T. Как видно из рисунков для симметричной системы управления KT=4, а для несимметричной KT=8.В общем случае число тактов KT зависит от числа обмоток управления (фаз статора) mу и может быть посчитано по формуле:KT = mуn1n2,где: n1=1 — при симметричной системе коммутации;n1=2 — при несимметричной системе коммутации;n2=1 — при однополярной коммутации;n2=2 — при двуполярной коммутации.
При однополярной коммутации ток в обмотках управления протекает в одном направлении, а при двуполярной — в обеих. Синхронизирующий (электромагнитный) момент машины является результатом взаимодействия потока ротора с дискретно вращающимся магнитным полем статора. Под действием этого момента ротор стремится занять такое положение в пространстве машины, при котором оси потоков ротора и статора совпадают. Мы рассмотрели шаговые синхронные машины с одной парой полюсов (р=1). Реальные шаговые микродвигатели являются многополюсными (р>1). Для примера приведем двуполюсный трехфазный шаговый двигатель.
Двигатель с р парами полюсов имеет зубчатый ротор в виде звездочки с равномерно расположенными вдоль окружности 2р постоянными магнитами. Для многополюсной машины величина углового шага ротора равна:αш=360/КтрЧем меньше шаг машины, тем точнее (по абсолютной величине) будет отрабатываться угол. Увеличение числа пар полюсов связано с технологическими возможностями и увеличением потока рассеяния. Поэтому р=4…6. Обычно величина шага ротора активных шаговых двигателей составляет десятки градусов.Реактивные шаговые двигателиУ активных шаговых двигателей есть один существенный недостаток: у них крупный шаг, который может достигать десятков градусов.Реактивные шаговые двигатели позволяют редуцировать частоту вращения ротора. В результате можно получить шаговые двигатели с угловым шагом, составляющим доли градуса.Отличительной особенностью реактивного редукторного двигателя является расположение зубцов на полюсах статора.
При большом числе зубцов ротора Zр его угол поворота значительно меньше угла поворота поля статора.Величина углового шага редукторного реактивного шагового двигателя определится выражением:αш=360/КтZрВ выражении для KT величину n2 следует брать равной 1, т.к. изменение направления поля не влияет на положение ротора.Электромагнитный синхронизирующий момент реактивного двигателя обусловлен, как и в случае обычного синхронного двигателя, разной величиной магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям двигателя.Основным недостатком шагового реактивного двигателя является отсутствие синхронизирующего момента при обесточенных обмотках статора.Повышение степени редукции шаговых двигателей, как активного типа, так и реактивного, можно достичь применением двух, трех и многопакетных конструкций. Зубцы статора каждого пакета сдвинуты относительно друг друга на часть зубцового деления. Если число пакетов два, то этот сдвиг равен ½ зубцового деления, если три, то — 1/3, и т.д. В то же время роторы-звездочки каждого из пакетов не имеют пространственного сдвига, т.е. оси их полюсов полностью совпадают. Такая конструкция сложнее в изготовлении и дороже однопакетной, и, кроме того, требует сложного коммутатора.Индукторные (гибридные) шаговые двигатели. Стремление совместить преимущества активного шагового двигателя (большой удельный синхронизирующий момент на единицу объема, наличие фиксирующего момента) и реактивного шагового двигателя (малая величина шага) привело к созданию гибридных индукторных шаговых двигателей.В настоящее время имеется большое число различных конструкций индукторных двигателей, различающихся числом фаз, размещением обмоток, способом фиксации ротора при обесточенном статоре и т.д. Во всех конструкциях индукторных шаговых двигателей вращающий момент создается за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмотками статора и постоянного магнита в зубчатой структуре воздушного зазора. При этом синхронизирующий момент шагового индукторного двигателя по природе является реактивным и создается намагничивающей силой обмоток статора, а постоянный магнит, расположенный либо на статоре, либо на роторе, создает фиксирующий момент, удерживающий ротор двигателя в заданном положении при отсутствии тока в обмотках статора.По сравнению с шаговым двигателем реактивного типа у индукторного шагового двигателя при одинаковой величине шага больше синхронизирующий момент, лучшие энергетические и динамические характеристикиЛинейные шаговые синхронные двигателиПри автоматизации производственных процессов весьма часто необходимо перемещать объекты в плоскости (например, в графопостроителях современных ЭВМ и т.д.). В этом случае приходится применять преобразователь вращательного движения в поступательное с помощью кинематического механизма.Линейные шаговые двигатели преобразуют импульсную команду непосредственно в линейное перемещение. Это позволяет упростить кинематическую схему различных электроприводов.Статор линейного шагового двигателя представляет собой плиту из магнитомягкого материала. Подмагничивание магнитопроводов производится постоянным магнитом.
Зубцовые деления статора и подвижной части двигателя равны. Зубцовые деления в пределах одного магнито-провода ротора сдвинуты на половину зубцового деления t/2. Зубцовые деления второго магнитопровода сдвинуты относительно зубцовых делений первого магнитопровода на четверть зубцового деления t/4. Магнитное сопротивление потоку подмагничивания не зависит от положения подвижной части.Принцип действия линейного шагового двигателя не отличается от принципа действия индукторного шагового двигателя. Разница лишь в том, что при взаимодействии потока обмоток управления с переменной составляющей потока подмагничивания создается не момент, а сила FС, которая перемещает подвижную часть таким образом, чтобы против зубцов данного магнитопровода находились зубцы статора, т.е. на четверть зубцового деления t/4.ΔXш=tz/Кtгде Kt — число тактов схемы управления.Для перемещения объекта в плоскости по двум координатам применяются двухкоординатные линейные шаговые двигатели.В линейных шаговых двигателях применяют магнито-воздушную подвеску. Ротор притягивается к статору силами магнитного притяжения полюсов ротора. Через специальные форсунки под ротор нагнетается сжатый воздух, что создает силу отталкивания ротора от статора. Таким образом, между статором и ротором создается воздушная подушка, и ротор подвешивается над статором с минимальным воздушным зазором. При этом обеспечивается минимальное сопротивление движению ротора и высокая точность позиционирования.Режимы работы синхронного шагового двигателяШаговый двигатель работает устойчиво, если в процессе отработки угла при подаче на его обмотки управления серии импульсов не происходит потери ни одного шага. Это значит, что в процессе отработки каждого из шагов ротор двигателя занимает устойчивое равновесие по отношению к вектору результирующей магнитной индукции дискретно вращающегося магнитного поля статора.Режим отработки единичных шагов соответствует частоте импульсов управления, подаваемых на обмотки шагового двигателя, при котором шаговый двигатель отрабатывает до прихода xследующего импульса заданный угол вращения. Это значит, что в начале каждого шага угловая скорость вращения двигателя равна 0.При этом возможны колебания углового вала двигателя относительно установившегося значения. Эти колебания обусловлены запасом кинетической энергии, которая была накоплена валом двигателя при отработке угла. Кинетическая энергия преобразуется в потери: механические, магнитные и электрические. Чем больше величина перечисленных потерь, тем быстрее заканчивается переходный процесс отработки единичного шага двигателем.
В процессе пуска ротор может отставать от потока статора на шаг и более; в результате может быть расхождение между числом шагов ротора и потока статора.Основными характеристиками шагового двигателя являются: шаг, предельная механическая характеристика и приемистость.Предельная механическая характеристика — это зависимость максимального синхронизирующего момента от частоты управляющих импульсов.
Приемистость — это наибольшая частота управляющих импульсов, при которой не происходит потери или добавления шага при их отработке. Она является основным показателем переходного режима шагового двигателя. Приемистость растет с увеличением синхронизирующего момента, а также с уменьшением шага, момента инерции вращающихся (или линейно перемещаемых) частей и статического момента сопротивления.
Приемлемость падает с увеличением нагрузки.В. П. Колодийчик.
.
proff-stanki.ru
Режимы работы и характеристики шаговых двигателей просмотров - 149
| Установившийся режим вра-щения имеет место при постоян-ной частоте управляющих им-пульсов fу, причем время такта Tком коммутации превышает время переходного процесса t1(t1<Гком = 1/fу). Скорость вра-щения ротора при этом опреде-ляется выражением (14.2). Ха-рактеристики шагового ЭП (ШЭП) определяются системой нелинейных дифференциальных уравнений электрического рав-новесия по числу обмоток ШД и уравнением моментов (без учета | |
| демпфирования) | Рис.15.3. Отработка шагов ШД |
Режимы работы и характеристики ШД рассмотрим на примере двигателей вращательного типа, хотя основные соотношения справедли-вы также и для ЛШД (имея в виду эквивалентность момента и силы, а также угла поворота и линейного перемещения). Особенностью дискрет-ного ЭП с ШД является возможность длительной работы при частоте входных импульсов управления fу = 0.
Такой режим работы, получивший название статического, предус-матривает прохождение постоянного тока по обмоткам возбуждения, создающим неподвижное магнитное поле. Двигатель и система питания должны быть рассчитаны с учетом этого режима.
Старт-стопный режим (режим отработки единичных шагов) имеет место при такой частоте управляющих сигналов, при которой переход-ный процесс, вызванный управляющим импульсом, заканчивается к моменту поступления следующего импульса. Это означает, что ротор двигателя перемещается на один угловой шаг α и успевает затормозиться. Процесс сопровождается электромагнитными переход-ными процессами в обмотках ШД вследствие их подключения к источнику постоянного напряжения и электромеханическим переход-ным процессом вследствие воздействия электромагнитного момента на ротор двигателя. Движение ротора в конце шага характеризуется свободными колебаниями относительно положения устойчивого равно-весия (подобно колебанию маятника). Колебания затухают, когда вся кинетическая энергия ротора будет израсходована на электрические, магнитные и механические потери. Очевидно, что такие колебания являются нежелательными, в связи с этим разработаны различные приемы их гашения. Этот процесс отображен на рис.15.3.
(15.1)
где ik – ток в к-й обмотке шаговых двигателей; Rk – активное сопротивление к-й обмотки; – потокосцепление;
– напряжение на к-й обмотке, зависящее в общем случае от тока; J – приведенный момент инерции ЭП; Мn(θ) – момент нагрузки, зависящий в общем случае от угла поворота θ;
– электромагнитный момент, зависящий от тока в обмотках и угла поворота ротора. В результате исследования системы (15.1), характери-зующегося большой трудоемкостью, определены условия, при которых обеспечивается устойчивая работа шагового ЭП (ШЭП). К ним относят-ся: введение внешнего демпфера; исключение режима холостого хода, являющегося самым тяжелым с точки зрения устойчивости; увеличение числа тактов коммутации. Дискретный ЭП устойчив, если
МН/МН MAX≥0.1; βω0/ М Н MAX≥0,1,
где β – коэффициент вязкого трения; ω0 – круговая частота собственных колебаний:
u0 = (IMAX Zn /J)1/2.
Статический режим работы определяется угловой статической ха-рактеристикой (рис.15,4), представляющей собой зависимость статичес-кого синхронизирующего момента Мс от угла рассогласования θ между полем статора и ротором. В дальнейшем угловые характеристики будем рассматривать для двухполюсного ШД (Zn = 1). В общем случае кривая статического синхронизирующего момента МC(θ) несинусоидальна.
При анализе ШЭП учитывается первая гармоническая составля-ющая
M= MCMAXsin(α-θ),
где α – угол поворота поля статора при коммутации фаз. Значение MCMAX зависит от геометрии магнитной системы и типа ШД, числа пар полюсов ротора и числа возбужденных фаз. При возбуждении одной или нескольких фаз ШД, согласно принятому способу коммутации обмоток, установившиеся в них токи определяют положение поля статора и рото-ра, при котором электромагнитный момент, возникающий в результате взаимодействия полей ротора и статора, уравновешивает моменты внешних сил (момент нагрузки МH). Такому положению ротора ШД при МH = 0 и состоянию поля статора, характеризующемуся кривой 1 на рис.15.4, соответствует точка 0. Отключение одной фазы ШД и включе-ние другой в результате такта коммутации изменяет состояние электро-магнитного поля статора, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ при этом (электромагнитными процес-сами в обмотках ШД при коммутации пренебрегаем) изображается кривой 2, сдвинутой относительно характеристики 1 на один шаг α = 2п/п. Угловые характеристики 1 и 2 позволяют определять значения моментов, действующих на ротор и вызывающих его переход из одного устойчивого состояния в другое. Так, при МH = 0 переход ротора из точки 0 в точку А описывается известным уравнением движения
В случае если же на ротор действуют моменты внешних сил МH, то его устойчивое положение характеризуется углом нагрузки θH (см. рис.15.4). Положение ротора при этом определяется уравнением
sin(α-θ) = MH,
θн=arcsinMн/ .
Это угол отставания ротора от поля статора в результате действия нагрузки МH.
Рис.15.4. Статическая угловая характеристика ШД: 1 – исходное положение; 2– положение после одного такта коммутации
Нагрузочные свойства ШД при единичных переключениях фаз опре-деляются моментом МHMAX, который имеет место в точке пересечения угловых характеристик 1 и 2, соответствующих смежным комбинациям включенных фаз. Из рис. 15.4, очевидно, что при очередной коммутации двигатель отработает шаг при выполнении условия МH<М. Последний можно определить из выражения
Величина МHMAX быстро приближается к МCMAX при увеличении числа тактов коммутации п. Так, при п = 16 (несимметричная коммутация (1) – (12) – (2) –... ШД с числом фаз т = 8) обеспечивается МHMAX = 0,98 МCMAX, что является практически предельным значением. Дальнейшее увеличение числа п не приводит к повышению нагрузочной способности ШД. Для обеспечения перегрузки и устойчивого движения при колебаниях момента нагрузки Мн крайне важно выполнение условия
MH<0,5 MHMAX ≤(0,3…0,4)MC. (15.2)
Механические характеристики ω(М) шагового ЭП при частотном ре-гулировании скорости являются абсолютно жесткими (штриховые линии на рис.15.5). Скорость ШД не зависит от момента на валу при выполнении условия нормального нагружения (15.2) и определяется согласно (14.2).
Предельная нагрузочная характеристика – зависимость максималь-ного нагружающего момента МHMAX от частоты управляющих импульсов fу – зависит от способа регулирования (форсировки, что будет пояснено ниже) напряжения в функции fу и фактически определяет диапазон рабочих частот и нагрузочную способность ШЭП. При работе с неизменным значением фазного напряжения (без форсировки) по мере увеличения частоты управления fу ток в обмотках ШД не достигает установившегося значения, что приводит к снижению момента. Важно заметить, что для сохранения работоспособности ШЭП в таком режиме крайне важно снижать момент нагрузки Мн
| |
| Рис.15.5. Механические (штриховые линии) и нагрузочные характеристики шагового ЭП:1 – форсированное управление; 2 – управление при пос-тоянном напряжении фазы; 3 – момент при прерывистом характере движения |
Допустимый момент нагрузки в зависимости от частот управляющих импульсов определяется по предельной нагрузочной характеристике, пример-ный вид которой показан на рис. 15.5. (кривая 2).
Максимальная допустимая стати-ческая нагрузка МCMAX определяется пусковым моментом МПУСК при fy = 0.Регулирование напряжения в ШЭП имеет свои особенности и осущест-вляется путем импульсного форсиро-вания (в отличие от непрерывного изменения напряжения для ЭП постоян-ного тока и частотных ЭП с АД), ᴛ.ᴇ. кратковременной подачи на фазу ШД импульса повышенного напряжения с ограничением длительности импульса форсирования в функции времени либо тока.
Другой путь – включение в фазы форсировочных резисторов – в нас-тоящее время из-за низкого КПД все чаще заменяется импульсным форси-рованием. Все способы форсирования обеспечивают близкий к линейному закон изменения фазного напряжения
Uф=U0+kfy , (15.3)
где U0 – начальное значение напряжения при fy = 0; к – коэффициент, зависящий от параметров схемы замещения ШД и от напряжения форси-ровки.
Учитывая предельную нагрузочную характеристику, можно выде-лить две зоны регулирования (рис.15.5): 1) зона низких скоростей, соот-ветствующая регулированию с постоянным моментом М = const; 2) зона высоких скоростей, соответствующая регулированию с постоянной мощ-ностью Р = А/ω = const. Граничное значение скорости ω разделяет пере-ход от регулирования напряжения в функции частоты к режиму работы с постоянным напряжением.
При соблюдении закона (15.3) предельный момент нагрузки ШД МHMAX изменяется незначительно. Спад предельной нагрузочной харак-теристики в области низких частот, имеющий место из-за прерывистого характера движения (кривая 3 на рис.15.5), может быть преодолен путем электрического дробления шага. С повышением частоты fy необходимая продолжительность импульса форсирования превышает интервал включенного состояния фазы, в связи с этим схема управления обеспечивает по существу переключение ШД с низкого напряжения на повышенное, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ явля-ется предельным для данной схемы. Другими словами, имеет место час-тотное регулирование.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, основными параметрами в аппроксимирующей характеристике являются значения момента МHMAX, которые определя-ются по выражению (15.2), и граничные значения скорости ω, зависящие от параметров схемы управления, основным из которых является напря-жение форсировки.
Изменение частоты управляющих импульсов fy, при программном управлении, ею может производиться по экспоненциальному или линей-ному закону в соответствии с рис.15.6, где fy1…fy4 – максимальные час-тоты fy; tp4…tp1 – время нарастания соответствующего значения частоты; tr1…tr4 – время начала торможения. На рис.15.6,а ШД работает в режиме «больших» перемещений, когда имеет место установившееся значение fy.
Такому режиму соответствует лишь одна из характеристик на рис. 15.6, (fy1). Остальные характеристики представляют режим отработки «малых» перемещений, при котором установившееся значение fy отсут-ствует, а время окончания разгона и время начала торможения совпа-дают. Разгон может производиться с некоторого начального значения частоты f0 (рис. 15.6,б),не превышающего частоты приемистости.
С точки зрения программной реализации управления средствами микропроцессорной техники, предпочтение следует отдать управлению по линейному закону (рис. 15.6,б).Шаговый ЭП (ШЭП), называемый также дискретным, можно отнести к классу частотно-регулируемых ЭП, регулирование скорости которых в общем случае требует изменения двух параметров – частоты и фазных напряжений.
Рис.15.6. Характеристики программного разгона и торможения ШД:
а – при экспоненциальном законе изменения частоты управляющих импульсов;б – при линейном законе
ШЭП приближается по своим свойствам к непрерывнымЭП постоянного и переменного тока, отличаясь от них возможностью отработки заданной координаты (угла поворота) без датчика ОС по этому параметру, что очень важно. Системы управления ШЭП выпол-няются с большим числом дискретных компонентов, а в некоторых случаях – полностью на дискретных компонентах, что делает чрезвычайно удобным прямое цифровое управление такими ЭП от ЭВМ. Это обусловило их широкое применение в металлообрабатывающем оборудовании с ЧПУ, робототехнических комплексах и непосредственно в ЭВМ. Для управления ШД применяются статические ПЧ, принцип функционирования которых отличается от тех, которые применяются в частотно-управляемом асинхронном ЭП. ШЭП управляется частотно-модулированной последовательностью импульсов, в которой частота следования импульсов управления пропорциональна средней скорости, а их число – углу поворота вала ротора. Как было отмечено в п.15.1., частота следования импульсов может меняться по произвольному закону (с учетом изложенных ограничений) в широком диапазоне, включающем и режим фиксации (fy = 0), когда ШД развивает статический синхрони-зирующий момент, сохраняя заданное угловое или линейное положение.
Основные функциональные узлы ШЭП приведены на рис. 15.7.
Последовательность управляющих импульсов вырабатывается гене-ратором импульсов (ГИ) с регулируемой частотой путем подачи управ-ляющего сигнала Uy. Указанная последовательность импульсов может поступать также непосредственно от ЭВМ либо иного цифрового задаю-щего устройства через преобразователь «код – частота». При необхо-димости сигналы с выхода ГИ калибруются по длительности и ампли-туде в формирователе импульсов ФИ и через ключ управления КУ пос-тупают на распределитель импульсов РИ.
Рис. 15.7. Функциональная схема разомкнутого шагового ЭП
Задачей распределителя импульсов является формирование ди-фаз-ной последовательности прямоугольных напряжений, не всегда совпада-ющей с требуемым законом коммутации фаз ШД, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ обеспечивает-ся дешифратором DC. В некоторых схемах функции распределителя и дешифратора бывают объединены в одном устройстве, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ назы-вается коммутатором (К). Регулятор напряжения, который имеется не во всех схемах, осуществляет импульсное регулирование напряжения на обмотках ШД при изменении частоты fy.
Распределитель импульсов может быть выполнен на различной элементной базе и иметь разнообразные схемные решения. Сегодня для реализации РИ чаще всего применяются триггеры, сдвигаю-щие регистры и счетчики с дешифраторами.
Свойства ШЭП не зависят от того, на какой элементной базе выпол-нен РИ. Одним из главных требований, предъявляемых к РИ, является высокая помехоустойчивость, поскольку всякий сбой в системе управ-ления непременно сказывается на отработке заданного перемещения.
ШЭП с потенциальным управлением. В этом случае обмотки ШД подключаются к источнику питания неизменного напряжения. В таких схемах для уменьшения электромагнитной постоянной времени и расширения частотного диапазона скорости последовательно с обмоткой включается форсирующее сопротивление RФР (рис. 15.7). Недостатки такого решения очевидны: крайне важность повышения напряжения источника питания и увеличение потерь, возникающих в RФР. В итоге включение RФР получило распространение в ШЭП небольшой мощности с невысокими требованиями к динамическим характеристикам.
Рис. 15.8. Схема форсировки тока с двумя источниками напряжения (UФР, UHOM – соответственно форсированное и номинальное напряжение)
ШЭП с форсированным управлением. При вращении ротора индук-торно-реактивных ШД в результате изменения взаимной индуктивности между статором и ротором в обмотках фаз возникает генераторная ЭДС, увеличивающаяся по мере роста частоты вращения, что приводит к снижению тока и момента двигателя. Важно заметить, что для сохранения же момента среднее значение силы тока статора крайне важно поддерживать постоян-ным. С целью уменьшения влияния ЭДС вращения на характеристики ШЭП применяются различные способы форсировки нарастания и спада тока в обмотках фазы. Одно из возможных решений состоит по сути в том, что для формирования тока фазы используют два источника: форсиро-ванного напряжения UФР и номинального напряжения UHOM(рис.15.8).
При поступлении управляющего импульса Iу открываются транзис-торы VT1 и VT2 и источник. Напряжение UФР в несколько раз превы-шает напряжение UHOM, чем обеспечивается быстрое нарастание тока.
При достижении током фазы Iф номинального значения по сигналу с измерительного сопротивления RS, формирователем импульсов ФИ транзистор VT1 запирается и ток Iф поддерживается на уровне номи-нального источником UH0M.
После снятия импульса Iу форсированный спад тока достигается благодаря встречному включению обмотки фазы на напряжение UФР, ᴛ.ᴇ. по цепи IФ – VD2 – RФР – UФР – UНОМ – IНОМ – VD1.
Стабилизация тока фазы возможна также путем применения широтно-импульсного регулятора.
Установившийся режим вра-щения имеет место при постоян-ной частоте управляющих им-пульсов fу, причем время такта Tком коммутации превышает время переходного процесса t1(t1<Гком = 1/fу). Скорость вра-щения ротора при этом опреде-ляется выражением (14.2). Ха-рактеристики... [читать подробенее]
oplib.ru
